專利名稱：一種熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種流動(dòng)換熱裝置，具體涉及的是一種為強(qiáng)化流動(dòng)換熱綜合性能而設(shè)計(jì)的具有謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯式結(jié)構(gòu)特征換熱管束的熱交換器。
背景技術(shù)：
目前，熱交換器已普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，例如在石油化工、能源、動(dòng)力、機(jī)械制造、環(huán)保、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，熱交換器都得到了廣泛應(yīng)用，且具有很重要的地位。因此， 對(duì)熱交換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其流動(dòng)換熱效率顯得尤為重要。熱交換器通常是在一個(gè)殼體內(nèi)布置許多相同的平行管束，一種流體在管內(nèi)流動(dòng)， 另一種流體在殼側(cè)流動(dòng)，冷熱兩種流體通過(guò)換熱管束進(jìn)行熱量交換。由場(chǎng)協(xié)同理論可知，這種平行管束的布置方法對(duì)于流動(dòng)換熱而言并不是很合理的布置方式。但目前對(duì)熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)卻大多基于此類結(jié)構(gòu)開(kāi)展。為提高流動(dòng)換熱效率，目前采取的強(qiáng)化傳熱手段主要有(1)對(duì)管束內(nèi)外表面進(jìn)行螺紋形、波紋形等多種形式設(shè)計(jì)；(2)在管束外的流體空間內(nèi)采用折流板式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這些強(qiáng)化傳熱手段使流體在流動(dòng)換熱區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的局部擾動(dòng)，提高流體湍動(dòng)能強(qiáng)度，進(jìn)而改善傳熱特性。然而這些優(yōu)化手段卻導(dǎo)致了流動(dòng)阻力的增力口，即增加了泵功消耗。為此，迫切需要開(kāi)展熱交換器內(nèi)換熱管束結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高效換熱。受 Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)的思想啟迪，本實(shí)用新型將熱交換器的換熱管束設(shè)計(jì)成 Sierpinski地毯式分形結(jié)構(gòu)特征，以提高熱交換器的流動(dòng)換熱綜合性能，即最大限度的提高熱交換器的熱有效性(換熱量/泵功)，進(jìn)而達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有的熱交換器內(nèi)換熱管束在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的泵功消耗和傳熱性能不匹配的問(wèn)題。本實(shí)用新型提供了一種新型的具有Sierpinski地毯式結(jié)構(gòu)特征換熱管束的多尺度Sierpinski地毯式熱交換器，該熱交換器能大大提高其熱有效性，達(dá)到高效換熱和節(jié)能目的。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種熱交換器，包括換熱管束、殼體和管板，所述的管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定于管板上，并穿過(guò)所述的管板，其特征在于所述的換熱管束截面面積的大小及分布滿足謝爾賓斯基地毯式分形結(jié)構(gòu)特征，且所述的分形級(jí)數(shù)為2 8級(jí)。所述的具有Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)的Sierpinski單元分形輪廓生成過(guò)程如下(1)將一個(gè)正方形九等分，去掉中間的一個(gè)，用于布置換熱管束；(2)將上述剩下的八個(gè)小正方形再分別進(jìn)行九等分，各自去掉中間的一個(gè)，亦用于布置換熱管束；[0012](3)不斷重復(fù)上述操作即可得到Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)。在上述去掉的正方形的區(qū)域均布置不同大小的換熱管束，即可得到所述的Sierpinski單元。所述的Sierpinski單元換熱管束至少有2級(jí)，所述的Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)為所述的Sierpinski單元沿所述的殼體方形陣列布置后構(gòu)成的換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)， 如此便可充分利用殼體空間，以實(shí)現(xiàn)熱交換器結(jié)構(gòu)緊湊和高效換熱的目的。本實(shí)用新型的換熱管束的截面形狀為矩形或圓形。所述的換熱管束在殼體內(nèi)經(jīng)過(guò)周期性的截面變化，使得殼程流體的流通面積發(fā)生周期性的變化，流體在反復(fù)改變速度梯度和溫度梯度的條件下流動(dòng)，有利于提高流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性，同時(shí)換熱管束截面的變化使得殼程流體流過(guò)管束表面時(shí)產(chǎn)生回流和分離，且能促使熱邊界層的重新生成，從而強(qiáng)化對(duì)流換熱。所述的具有Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)特征的換熱管束，通過(guò)分級(jí)產(chǎn)生越來(lái)越多的分支管束，且隨著級(jí)數(shù)的增加，各分支管束的管徑均逐漸減小，如此不但大幅增加了管程換熱面積，通道尺度的縮減還能大幅提高換熱系數(shù)。所述的Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)換熱管束沿所述的殼體陣列布置充分利用了殼體空間來(lái)布置更多的換熱管束以增加換熱面積， 強(qiáng)化流動(dòng)換熱，同時(shí)呈Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)布置的換熱管束可使熱交換器內(nèi)流體的溫度分布更加均勻，亦能提高流動(dòng)換熱效率。已有數(shù)值模擬計(jì)算表明，對(duì)于這種多尺度Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)換熱管束的流動(dòng)換熱，隨著分形級(jí)數(shù)的增加，最大換熱量逐漸增大，且流動(dòng)阻力也增大，即泵功消耗增大，但其熱有效性(換熱量/泵功)卻呈增加趨勢(shì)。由此可知，所述的熱交換器在增加換熱量的同時(shí)，也最大限度地提高了熱交換器的熱有效性(換熱量/泵功)，進(jìn)而達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。本實(shí)用新型提供的多尺度Sierpinski地毯式熱交換器，其換熱管束、殼體、管板等根據(jù)工作條件、流體性質(zhì)等可選擇不同的材料，可選用碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等材料。其管程和殼程流體可為水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有機(jī)物、 制冷劑等任意流體工質(zhì)。管束內(nèi)的換熱方式可為強(qiáng)迫對(duì)流換熱、沸騰/冷凝相變換熱方式等，殼側(cè)的換熱方式也可為強(qiáng)迫對(duì)流換熱、沸騰/冷凝相變換熱方式等。有益效果本實(shí)用新型熱交換器，其換熱管束在殼體內(nèi)經(jīng)過(guò)周期性的截面變化，使得殼程流體的流通面積發(fā)生周期性的變化，這有利于改善換熱管束表面的流體速度矢量和熱流矢量方向的夾角，提高了流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性。同時(shí)，換熱管束截面變化有助于流體回流和分離現(xiàn)象的產(chǎn)生，且能促使熱邊界層的重新生成，從而強(qiáng)化對(duì)流換熱。此外，本實(shí)用新型充分利用了殼體空間來(lái)布置Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)換熱管束，大大增加了冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換所需的換熱面積，同時(shí)也能最大限度地提高熱交換器的熱有效性(換熱量/泵功)，達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。

圖1本實(shí)用新型多尺度Sierpinski地毯式熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本實(shí)用新型Sierpinski單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖3本實(shí)用新型Sierpinski單元陣列布置平面結(jié)構(gòu)示意圖。[0024]圖4本實(shí)用新型Sierpinski單元陣列布置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1.左管板；2.殼體；3.換熱管束；4.右管板；5.殼程流體；6.管程流體。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1給出了本實(shí)用新型多尺度Sierpinski地毯式熱交換器的結(jié)構(gòu)示意圖。一種具有Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)特征換熱管束的熱交換器，由Sierpinski地毯分形換熱管束、殼體和管板等主要部分組成。殼體截面形狀一般為矩形，管板1、4分別位于殼體2的兩側(cè)，Sierpinski地毯分形換熱管束3的兩端固定并穿過(guò)左右管板1和4。殼程流體5進(jìn)出口位于殼體2上，管程流體6進(jìn)出口位于管板1、4上，如此，管板便不僅能分隔管箱內(nèi)的管程流體與殼體內(nèi)的殼程流體，還能均勻分配進(jìn)入各換熱管束的管程流體，并起密封作用。同時(shí)，換熱管束直徑大小的周期性變化使得殼程流體在反復(fù)改變速度梯度和溫度梯度的條件下流動(dòng)，提高了殼體內(nèi)流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性，且換熱管束的截面變化有助于二次流和渦流的形成，并能促使熱邊界層的重新生成，從而強(qiáng)化流動(dòng)換熱。圖2給出了所述Sierpinski單元結(jié)構(gòu)示意圖。所述的Sierpinski地毯換熱管束至少有兩級(jí)(可根據(jù)需要增加級(jí)數(shù)，如設(shè)計(jì)為3、4、5、6、7或者8級(jí))，圖中僅畫出了 3級(jí)， 即具有3種不同截面面積的換熱管束。所述的Sierpinski單元分形輪廓生成過(guò)程如下 將一個(gè)正方形九等分，去掉中間的一個(gè)，用于布置換熱管束；將上述剩下的八個(gè)小正方形再分別進(jìn)行九等分，各自去掉中間的一個(gè)，亦用于布置換熱管束；不斷重復(fù)上述操作即可得到 Sierpinski地毯分形結(jié)構(gòu)。在上述去掉的正方形的區(qū)域均布置不同大小的換熱管束，即可得到所述的Sierpinski單元。所述的Sierpinski單元經(jīng)方形陣列布置后，便可得到如圖3、4所述的Sierpinski 地毯分形換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)示意圖。其陣列的維數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行布置直至殼體，殼體截面形狀為矩形，各換熱管束截面形狀可為圓形或矩形，如此便可充分利用殼體空間，以實(shí)現(xiàn)熱交換器結(jié)構(gòu)緊湊和高效換熱的目的。
權(quán)利要求1.一種熱交換器，包括換熱管束、殼體和管板，所述的管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定于管板上，并穿過(guò)所述的管板，其特征在于所述的換熱管束截面面積的大小及分布滿足謝爾賓斯基地毯式分形結(jié)構(gòu)特征，且所述的分形級(jí)數(shù)為2 8級(jí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于所述的分形級(jí)數(shù)為3 5級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于所述的換熱管束的截面形狀為圓形或矩形。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種熱交換器，包括換熱管束、殼體和管板，所述的管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定于管板上，并穿過(guò)所述的管板，其特征在于所述的換熱管束截面面積的大小及分布滿足謝爾賓斯基地毯式分形結(jié)構(gòu)特征，且所述的分形級(jí)數(shù)為2～8級(jí)。本實(shí)用新型充分利用了殼體空間來(lái)最大限度地布置換熱管束以增加換熱面積，同時(shí)，所述的換熱管束呈多級(jí)陣列布置且在殼體內(nèi)經(jīng)過(guò)周期性的截面變化，大大提高了流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性，亦最大限度地提高了熱交換器的熱有效性(換熱量/泵功)，達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。
文檔編號(hào)F28D7/16GK202229631SQ201120312539
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者施明恒, 楊立波, 鄧梓龍, 陳永平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)